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1、硕士学位论文 吉林大学作者谭文春论文分类号 TK413.8+4 单 位 代 码 10183 密 级 内部 研究生学号 2990210 吉吉 林林 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 二冲程汽油机燃油喷射系统控制参数优化二冲程汽油机燃油喷射系统控制参数优化 The Optimization of Control Parameters for Two-stroke Electronic Controlled Fuel Injection Gasoline Engine 作者姓名：沈作者姓名：沈 利利 芳芳 专专 业：动力机械及工程业：动力机械及工程 导师姓名导师姓名 及及 职职 称：于
2、秀敏称：于秀敏 教授教授 论文起止年月:2001 年 3 月至 2002 年 2 月 论文起止年月:2001 年 3 月至 2002 年 2 月 提提 要要 二冲程汽油机是摩托车的主要动力源。为了解决二冲程汽油发动机油耗高、排放差的缺点，国内开始研究电控燃油喷射技术在二冲程机上的应用。为了降低成本和减少系统复杂性，研究大多采用开环控制系统。采用开环控制系统，控制参数的精度和正确性成为该电控系统研究的主要内容。采用优化后的控制参数，控制系统才能在使用过程中实现对发动机性能的最大程度的改善。因此，控制系统参数优化工作具有非常重要的意义。本文结合吉林省科委项目“二冲程汽油机电控燃油喷射系统的研究与开
3、发”，采用以前开发的电控系统，在长春铃木集团公司的 AX100 摩托车二冲程汽油机上实现了电控系统参数优化工作。为使喷油器能够与二冲程汽油机实现良好匹配，本文首先对喷油器流量特性以及蓄电池电压对喷油器的影响进行了标定。本文研究了适用于小型二冲程汽油发动机的标定试验方法和步骤，应用原电控系统在 AX100 发动机上进行了燃油调整特性试验，采用工况分析法和排放分析法，以得到足够的优化所用发动机工况及排放数据。在所得试验数据基础上，应用合理的计算方法和优化方法，以计算机为工具，编制优化计算程序，根据具体的优化目标，对喷油脉谱数据进行合理优化。得到了优化和精确的喷油脉谱。本文进行了使用优化脉谱后的电喷
4、系统的发动机特性与使用未优化脉谱的电喷系统的发动机的性能特性对比台架实验。实验表明：在对发动机控制系统进行参数优化后，所得到的性能更接近于理想目标，即在经济性、动力性和排放性方面比采用未优化的控制参数时有所提高，体现了控制参数优化的应用意义。目目 录录 第一章第一章 绪论绪论.1 1 11 前言.1 12 电控二冲程发动机的发展和趋势.2 1.2.1 二冲程发动机电控技术的发展史.2 1.2.2 电控技术在二冲程发动机上的应用.3 13 最优化技术在内燃机中的应用.6 14 本文的主要研究内容.8 第二章第二章 标定控制系统的硬软件标定控制系统的硬软件.10 21 标定系统硬件.10 2.1.
5、1 控制单元的构成.10 2.1.2 微处理器及其扩展电路.11 2.1.3 前向通道接口电路设计.15 2.1.4 后向通道接口电路设计.17 22 标定系统软件.19 2.2.1 主程序.19 2.2.2 标定控制模块.21 2.2.3 信号采集模块.22 2.2.4 高速输入处理模块.22 第三章第三章 二冲程汽油机燃油喷射系统的标定匹配二冲程汽油机燃油喷射系统的标定匹配.23 31 二冲程汽油机电控系统匹配标定的基本方法.23 3.1.1 标定基本步骤.23 3.1.2 标定试验方法.24 3.1.3 台架综合调整试验.25 32 二冲程汽油机燃油喷射系统的标定匹配.26 3.2.1
6、喷油量的标定.26 3.2.2 喷油流量特性标定.27 3.2.2.1 测量装置和参数.27 3.2.2.2 实验结果及分析.27 第四章第四章 发动机控制系统参数优化发动机控制系统参数优化.30 41 发动机控制参数优化模型.30 4.1.1 概述.30 4.1.2 数据处理.31 4.1.2.1 算法研究.31 4.1.2.2 回归分析.34 42 优化方法.35 4.2.1 单目标优化.35 4.2.2 多目标优化.37 43 优化结果.42 第五章第五章 实验结果及分析实验结果及分析.44 51 实验仪器设备.44 5.1.1AX100 发动机.44 5.1.2 主要实验设备.45 5
7、2 实验结果及分析.45 全文总结全文总结.51 参考文献参考文献.53 致致 谢谢.56 中文摘要中文摘要.英文摘要英文摘要.第一章 绪论 1.1 前言 1.1 前言 近年来，二冲程发动机越来越多地得到了发动机设计师们的关注，这是因为在各国排放法规和燃料消耗标准越来越严格，以及消费者对发动机性能的要求越来越高的前提下，四冲程发动机的研究几乎已到了顶点，要想再大幅度提高其性能将很困难，而二冲程发动机的固有优点：升功率大、结构简单、制造成本低以及便于维修，使发动机设计者们重新看到了其潜力1。然而，二冲程发动机一个致命弱点就是浪费燃料。原因是它扫气时是用充分混合好的混合气，而不是空气来扫除气缸中的
8、残余废气。因此，有很多混合气在活塞开始上行压缩前，便随废气一起从排气口跑掉了2。对于典型的，简单的二冲程发动机，若要产生与四冲程发动机同样的功率输出，需耗费加倍的燃料。而扫气短路损失产生的另一个致命弱点就是将会导致很高的 HC 排放量。HC 排放量高主要来自二个方面：一方面是扫气过程中新鲜混合气燃油短路损失，另一方面是燃烧过程中发生失火。研究表明若用膨胀式调谐排气管系统，则约有 30%的混合气将最后到达排气系统，若排气系统采用非调谐的或普通箱型消声器，则流失的混合气的比率接近 45%。因此，传统二冲程汽油机 HC 的排放量可以是四冲程汽油机的十倍3。过去，正是由于这些存在的问题使二冲程汽油机的
9、使用受到很大的限制。随着四冲程汽油机电控技术的成熟与普及，以及电控系统成本的不断下降，在保留传统二冲程汽油机优点的前提下，通过电子控制技术，开发适于二冲程汽油机的电控装置，可以成为克服传统二冲程汽油机缺点的重要手段。在发动机上采用电控技术，可以实现空燃比的精确控制，使燃料充分燃烧，明显改善燃油经济性。采用定压喷射，使雾化不受转速和进气管真空度的影响，从而提高发动机运转的稳定性和怠速性能，有利于改善排放性，提高动力性，使工况适应性增强，加速油耗显著下降。但采用电控汽油喷射对发动机的改动较大，需要增加燃油泵、喷油嘴等零部件，发动机的润滑也是需要单独考虑的问题。另外，由于二冲程汽油机的工作转速较高，
10、每转持续时间很短，对喷油器电磁阀的响应时间也有很高的要求。总之，同电控点火系统相比，电控喷油的应用还存在着成本高、制造难度大等困难。但目前上述问题正逐步得到解决，二冲程汽油机电控汽油喷射系统的应用已成为一种趋势。1.2 电控二冲程发动机的发展和趋势 1.2 电控二冲程发动机的发展和趋势 1.2.1 二冲程发动机电控技术的发展史 二冲程发动机早在十九世纪末期就已付诸使用,并在轻型车上得到广泛应用。二十世纪后期,自从发达国家对汽车实施严格的限制经济性和排放污染的法规以来,二冲程车用发动机在经济性和废气排放方面已不能满足汽车的需要,日益萎缩。汽车用二冲程发动机已不再生产，而且在摩托车和小型农用机械上
11、的应用也受到挑战。然而无论汽车还是摩托车，二冲程发动机的技术开发从未停顿过。由于二冲程发动机的固有优势，吸引着世界上主要汽车、摩托车生产厂家和有关公司，投入相当的人力物力，借助现代高技术开发新一代二冲程车用发动机。七十年代初，已经有人在实验室中对二冲程发动机的电控进行研究了，由于当时的电控技术尚不成熟而且价格昂贵，未能付诸实施。八十年代以后，随着微电子技术的飞速发展和电子产品价格的大幅度下降，开发具有良好响应性和控制精确性的电控燃油喷射二冲程发动机成为各大汽车、摩托车公司下一代动力装置的研究目标2,4。80 年代的中期，随着澳大利亚的澳必托发动机公司研究出“空气爆炸燃油喷嘴”这一实用的技术，二
12、冲程汽油机的研制工作在全球范围内重新被大大刺激起来。克莱斯勒公司研制了自己的二冲程三缸机，其上面装有汽油喷射系统和增压器，用于小轿车。仅在 19891991 年间就有 20 多项二冲程发动机的直接喷射（DI）研究项目在世界各公司实验室进行，如美国的福特、通用汽车公司和日本的丰田公司等，二冲程汽油机 DI 技术的研究又掀热潮。1997 年，世界上第一台二冲程电控燃油喷射发动机意大利比亚乔公司研制的 50ml Vespa 采用 ET2 喷射系统的发动机投放市场。该发动机满足了 1999年元月 17 日排放法规第一步的工况法要求。它的排放降低达到 70%，还具有最小的燃油泄漏和最低的燃油消耗率（比普
13、通的发动机降低约 30%）。我们相信，不久之后，二冲程发动机在中小功率的摩托车、农用机械、小型动力机械中将得到日益广泛的应用，装备有高性能二冲程发动机的汽车也将会在路面上出现。1.2.2 电控技术在二冲程发动机上的应用 二冲程汽油机电控系统包括传感器、电控单元、执行机构三部分。当前在二冲程汽油机上采用电控技术的目的，主要是围绕消除燃油短路损失或提高低负荷时的发动机燃烧的稳定性，使发动机的燃油经济性、排放性得到改善。在二冲程汽油机上采用的电控技术基本上与四冲程电控汽油机相类似的有点火控制、喷油控制、发动机温度控制、故障诊断等。二冲程汽油机所特有的电控技术有排气阀控制技术、压缩气辅助燃油喷射技术等
14、。二冲程汽油机上的控制内容主要有以下几方面5-18:1）喷油控制 二冲程汽油机采用燃油喷射技术时，燃油雾化时间较短，仅为 60 度至 100度曲轴转角的时间。为了能在这样短的时间内燃油完全雾化，开发了多种燃油喷射系统。其中包括扫气口低压半直接喷射、缸内直接喷射、压缩气辅助喷射。低压半直接喷射方式使用的喷油器安装在主扫气口内，燃油并非喷入扫气道，而是在活塞下行打开扫气口后直接喷入气缸，喷射在热的活塞顶部表面上，加速燃油的蒸发雾化，并改善活塞的冷却。该系统的成本低，但是由于喷射的时刻是在下止点左右，仍可能有一部分燃油短路损失，造成 HC 排放量和燃油消耗率稍有升高。缸内直接喷射分高压直接喷射和低压
15、直接喷射。高压直接喷射喷油器安装在气缸盖上，燃油对着排气口对侧的活塞顶部喷射。高压直接喷射实现了纯空气扫气，可完全避免燃油短路损失。但它具有造价高，燃烧性能受转速影响大的缺点。为了进一步改进高压缸内直接喷射系统，采用最多的是压缩气辅助燃油喷射系统。这种喷射方式喷油器将燃油喷射在气缸头部的预混合室内，并有附加的扫气泵将空气压入预混合室内，在此燃油与空气混合雾化，进行燃烧前的准备，当气门打开时，混合气直接进入缸内燃烧。但需要附加的扫气泵，结构改动较大。2）点火控制 二冲程汽油机的点火提前角是一个十分重要的控制参数，点火提前角的正确与否将影响到汽油机的排放性能、动力性、经济性和运转性能。目前，二冲程
16、汽油机上正在使用以及正在研究的点火系统包括电容放电式无触点磁电机点火系统（CDI）、数字式 CDI 点火器、数字式晶体管点火器、直流电子点火器DCCDI。CDI 点火器使用无触点的外轮子式飞轮磁电机作为点火的电源，利用可控硅开关电路作为电子开关来控制点火正时。具有使用方便，无需调整，自动提前等优点。但它不能保证在每个转速与节气门开度下，点火提前角都是最佳值，因此不可能在最大程度上发挥出发动机的性能。此外，CDI 还存在低速及高速状态下电容充电能量不足，导致点火能力下降这个问题。数字式 CDI 点火器将模拟电路控制改为单片机数字电路控制。通过软、硬件相结合达到精确控制发动机点火提前角的目的。但数
17、字式 CDI 点火器无法解决点火方式中充电电容上的电压在高速及低速段下降严重的问题。数字式晶体管点火器解决了这个问题。数字式晶体管点火器主要由触发信号处理电路和点火电路组成，其中大功率管的导通时间与截止时刻是由包括单片机在内的硬件电路和与之相配合的软件完成的。采用 DCCDI 点火方式，则可以解决 CDI 点火方式中充电不足的问题。在DCCDI 点火方式中，磁电机只是向 DCCDI 提供触发脉冲，而由充电线圈提供的电源仅向蓄电池直接供电。采用 DCCDI 点火系统，基本可以实现理想的充电电压曲线，彻底避免了 CDI 系统充电方式的弊病。3）排气系统控制 二冲程汽油机排气系统的控制主要是为了循环
18、利用短路的燃油以及使排气系统与发动机工况相适应，从而提高排气效率和改善发动机的燃烧。过去是使用机械装置来完成排气系统的控制，其结构比较复杂。采用电子装置可以简化结构且提高控制精度。控制方法包括选择性废气再循环（SEGR）控制、排气系统定时控制、排气节气门控制、可变排气谐振控制。选择性废气再循环（SEGR）控制，是将排气管中含有未燃烃的排气，全部或部分地重新引入扫气口，在下一循环吸气过程中被重新吸入缸内燃烧内，从而达到降低 HC 排放量和燃油消耗率的目的。排气定时控制中，控制系统将根据检测到的发动机转速和节气门开度，查取阀的目标开度，同时从电位计显示出现在阀的开度。通过电机驱动排气阀使其达到目标
19、开度。使用该系统后，发动机低中速时功率得到提高，高速时的扭矩增加。排气节气门控制是根据发动机转速和负荷，通过步进电机调节排气节气门的开度。当排气节气门有效流通面积改变时，排气口的背压相应发生变化，从而控制了扫气过程中的缸内流动。通过控制排气口的背压，发动机小负荷时燃烧稳定性得到了有效的改善，而且 HC 排放也降低。可变排气谐振控制装置是在排气道中设置一个谐振腔，在谐振腔的入口设置一个阀，利用阀的开关来控制排气道的容积、路程，以使压力波得到最佳利用，避免充气损失，从而改善发动机的工作性能。4）润滑系统的控制 二冲程发动机用汽油、机油的混合油对运动件进行润滑，其中很大一部分机油被燃烧掉，使机油的实
20、际利用率较低，而且增加排污量。润滑控制系统的润滑油喷出量是由发动机的转速与节气门开度决定的。由电控单元控制磁电润滑泵的喷出量。润滑油可与燃油混合后吸入气缸中，也可以将控制油量喷射到发动机运动的部位。这样可以减少低速高负荷时的燃油消耗量并增加了高速低负荷时燃油泵的泵出量，从而获得既降低机油消耗又提高发动机耐久性的效果。5）发动机温度控制 控制发动机温度，是为了解决燃油壁湿问题。发动机温度可以通过风扇的转速调节器，调节风扇转速，改变吹过气缸的空气流动来实现。在低负荷时采用温度控制手段，可以明显的减少 HC 排放量，在中、大负荷时，由于缸内的温度足够高，附在活塞表面的燃油可以完全蒸发燃烧，因此不需进
21、一步提高发动机的温度。6）电子消声器控制 电子消声器利用磁性测声器跟踪和监听发动机的排气噪声，输入微机处理后，通过它装在消声器通道里的扬声器发出与噪声声波的波峰、波谷相反的抗噪声波，使之与噪声波相互抵消，从而解决了发动机排气压力高的难题，增加了发动机的功率提高了燃油经济性。二冲程发动机的复兴说明：二冲程发动机是非常有发展前途的机型，它将成为四冲程发动机强有力的竞争对手。目前，在二冲程发动机电喷方面，我国摩托车行业已经开始对其进行研究并取得了一定成果。如春兰集团与奥地利AVL 内燃机研究所，新大洲与澳大利亚澳必托公司，贵州红林机械厂与美国BKM 公司联合开发的电控摩托车发动机，使摩托车油耗减少，
22、排放、噪声降低，增加了发动机的动力性，提高了加速性和缩短了起动时间，使摩托车发动机品质有了提高。1.1.3 最优化技术在内燃机中的应用最优化技术在内燃机中的应用 计算机的应用领域非常广泛，据粗略统计约有三千多种。在内燃机领域中，计算机的主要应用是：数值计算、数据处理、辅助设计及自动控制等。如果包括微型计算机在内，则还有汽车微机电子控制这一部分19。内燃机计算机辅助设计是计算机图形学、数值计算及数据处理等诸方面结合的产物。现在，在内燃机设计中应用计算机辅助设计（CAD）的比重逐年增加。国内内燃机设计中应用 CAD 较早的是上海内燃机研究所，该所研制的“连杆设计系统”只要输入若干个基本参数，该系统
23、便自动完成全部设计计算工作，并绘制出连杆零件图。内燃机自动控制反映在内燃机全自动试验台上。它是应用计算机实现内燃机试验的全自动化控制。如奥地利 AVL-646 全自动实验台、日本 CB-566 全自动实验台，都可对内燃机进行多种测试，并将测试中采集的数据由计算机进行分析、计算，最后绘制出曲线及图表。内燃机电控技术的发展可以说是微型计算机在汽车控制领域中的最大贡献。1979 年德国波许公司首先生产了 D 型电控汽油喷射系统（D-Jetronic），随后 1979 年又生产了汽油机综合控制系统（Motronic）。同期，美国福特公司生产了汽油机电控系统（EEC），日本日产公司生产了汽油机集中电控系
24、统（ECCS）。1980 年，美国通用公司生产了单点电控系统，又称为节气门体喷射系统（TBI）。它们都有很强的综合控制功能。据统计，1990 年，美国轿车生产中电控汽油轿车占 90%，1992 年日本轿车生产中电控汽油轿车占 80%。到了2001 年，在汽车技术先进的发达国家中，化油器式的汽车已经看不见了。而在我国，从 2001 年 9 月份开始，五座以下的汽车也都装上了电控喷射的发动机。应用计算机进行内燃机方面的数值计算，现在已经非常普遍，例如：工作过程数值计算、工作过程参数最优化计算、涡轮增压柴油机配合计算、燃烧放热率计算、排气污染预测计算、控制参数优化计算、结构强度计算、温度场计算及热应
25、力计算等。在应用计算机进行控制参数优化计算时，涉及到了工程问题中最常用的最优化方法。在进行各项工作时，总是希望所选用的方案是一切可行方案中最优的方案，这就是最优化问题。各生产、研究领域中普遍地存在最优化问题，最优化技术主要是研究在一定限制条件下选取某种方案以达到最优目标的一门科学。搜索最优方案的方法成为最优化技术或最优化方法，也常称为数学规划。最优化方法的出现可追溯到牛顿、拉格朗日时代。牛顿在微分学中关于函数的极值问题，是最优化的首开先河。但在 20 世纪中以前，最优化方法进展甚小。值得注意的是 1947 年 Dantzig 提出了求解线性规划的单纯形法，这是最优化方法的重要进展。60 年代初
26、随着非线性规划等问题的解决，最优化方法进展迅速。到了 70 年代，最优化技术已开始得到普遍应用。工程设计中普遍存在着追求人力物力消耗最小，而获得效益最大的共同问题。所以从广义来说，最优化技术可用来解决任何工程问题。随着现代化生产的发展和科学技术的进步，最优化理论和方法日益受到人们的重视。现在它已渗透到生产、管理、工业、商业、军事、决策等各个领域。下面列出一些在工业上典型应用例子：（1）飞行器和宇航结构设计中，要求重量极小。（2）土木工程结构设计中，要求成本极低。（3）水利资源系统设计中，要求效益最高。（4）内燃机设计中，要求燃油消耗最小、功率最大、排污最小。（5）连杆、凸轮、齿轮等机械零件的优
27、化设计。（6）泵、换热器装置设计中，要求效率最高。最优化设计从 70 年代开始在国外应用较为普遍。我国从 70 年代开始在工程设计中也采用最优化设计，并取得明显的经济效益。内燃机的优化目前大多数属于对某一方面或某零部件进行优化设计的范畴。例如，气缸直径及活塞行程优化设计、连杆结构优化设计、工作过程优化、控制系统参数优化等。它是以数学规划为基础，以电子计算机作为计算工具，在满足各种要求的前提下，从众多的可行方案中，寻找出最优方案。采用恰当的优化设计方法，可以大大提高设计质量，缩短设计和计算时间，节约人力物力。由于内燃机的工作过程复杂，影响性能的变量很多，甚至各种性能之间本身互相矛盾，要寻找同时使
28、各个要求都获得最佳满足的方案是很困难的。在内燃机的优化中，就得按需要选定一些重要要求作为目标函数，评价设计的优劣。若仅把多项要求中的一项作为目标函数，而把其余各项要求转化为相应的约束条件进行最优化处理，则是单目标函数优化问题；将几项要求组合起来作为多目标函数问题处理，这就是多目标函数优化。总之，所有的优化问题都是相对的，只有当具体确立了目标函数以及各种约束条件之后，才能在这一确立的范围内寻求相应的最优解。对于同一个优化问题，也有不同的优化求解方法。当最优化数学模型建立后，可根据具体的情况选择恰当的优化计算方法。所谓选择恰当的优化计算方法是指在获得最优解的过程中，函数值的计算次数要少。函数值的计
29、算次数包括目标函数的求值次数、约束方程的求值次数、函数的导数求值次数等。特别是对于目标函数、约束方程与寻优变量之间的关系不能用显式解析式表达的这一类工程问题的最优化尤为重要。这是因为希望在获得最优解的过程中尽量减少模拟计算程序的调用次数。较为典型的是内燃机工作过程的优化计算。此外，衡量所采用的优化计算方法是否恰当，还要考虑解题的可靠性和有效性，即在合理的精度要求下，所费的解题时间要最少，达到最优解时函数值的计算次数要少，且最优解是稳定的。1.4 本文的主要研究内容 1.4 本文的主要研究内容 本文结合吉林省科委重大项目“二冲程汽油机电控燃油喷射系统的研究与开发”，在长春铃木集团公司的 AX10
30、0 摩托车二冲程汽油机上进行了控制系统参数标定、脉谱优化和发动机性能试验等工作。本文研究的主要内容有：1）根据 AX100 摩托车发动机的性能特征，分析设计了二冲程汽油机电控系统的标定方法和实现方案。2）改进设计了具有运行控制和标定控制功能的电控系统开发装置，在二冲程汽油机电控燃油喷射系统基础上，进行了标定系统控制硬件与控制软件设计。3）利用标定系统，标定了不同型号的喷油器，测量了流量特性，并研究了不同蓄电池电压对于喷油器流量特性的影响。4）为细化和优化脉谱，用标定系统进行了发动机燃油调整特性试验。从研究内燃机优化方法的目的出发，使用不同的优化方法对试验数据进行优化计算，编制了具有一定通用意义
31、的发动机脉谱优化程序。5）进行了二冲程发动机采用优化后脉谱和采用未优化脉谱时的发动机性能进行对比试验。试验表明优化后，发动机性能明显提高，体现了脉谱优化的意义和不同优化方法对脉谱优化效果的影响。第二章第二章 标定控制系统的硬软件标定控制系统的硬软件 标定控制系统在实施控制过程中所进行的信号采集与处理、控制决策和控制信号的生成和输出等工作都是由硬件和软件所完成的。其中，一些由硬件所实现的功能可以由软件来完成，反之亦然，但硬件和软件各有特点，一般而言，硬件处理速度快，控制系统中多采用硬件可以改善系统的性能，但同时使系统结构变得复杂，增加了成本，而软件的处理速度慢，若用软件代替硬件功能，可减少元件数
32、，但系统的响应性能降低。因此，在设计系统的硬件和软件时，为了使系统达到较高的性能价格比，首先应充分利用硬件和软件的互换性，合理地分配两者的比例20-25。对于摩托车用发动机，由于其工作状态的快速多变性，为了达到预期的控制效果，要求标定控制系统必须具有很高的响应速度，因此，实时响应性是系统的首要品质指标，而且，随着电子技术的发展，硬件价格不断降低，为此，系统设计时，硬件和软件的功能分担侧重于多用硬件，能够用较为简单的硬件电路完成的功能尽量用硬件来实现，以提高系统的响应性。2.1 标定系统硬件 2.1 标定系统硬件 控制单元硬件包括：微处理器及其扩展电路、单片机开发机、微机、待标定控制单元的电路设
33、计和前向、后向通道接口电路设计。2.1.1 控制单元构成 该标定控制装置具有运行控制与标定控制两项功能。在运行控制状态下，能根据输入信号对喷油量与喷油时刻进行实时控制，在标定控制状态下，可改变喷油量与喷油时刻，进行电控系统与发动机的匹配实验，制取控制喷油的脉谱图。控制单元的构成如图 2-1 所示：喷油输出信号 输入信号处理电路扩展电路微处理器80C196KC输出信号处理电路进气温度信号标定信号 1 蓄电池电压信号微机仿真器标定信号 2标定信号预处理电路2标定信号预处理电路1节气门开度信号转速信号 图 2-1 标定系统开发装置图 2.1.2 微处理器及其扩展电路 1）微处理器 控制系统采用国际上
34、流行的 INTEL 公司的 MCS96 系列单片机MCS80C196KC。由于其在控制功能上的诸多优点，它在数字信号处理器、电机控制和发动机控制中应用广泛。其特点如下：（1）16 位的 CPU 和高效的指令系统，运算速度快，编程效率高。（2）用“垂直窗口”结构，使新增的 256 字节 RAM 通过窗口映射，可以作为通用寄存器来访问。（3）具有高速输入输出口（HSI/HSO），易实现实时控制，而且可以对所有 HSO 引脚同时寻址。（4）可以采用 16MHz 的晶振，提高系统的计算速度，还可采用 10 位或8 位 A/D 转换方式，加速转换过程。（5）具有丰富的硬件中断资源和软件中断功能。80C1
35、96KC 单片机内部的部分功能单元，如数据存储器 RAM，芯片内部数据存储器数量有限，而电控燃油喷射系统的数据量较大，不能满足用户系统的要求，必须在片外进行扩展，选择合适的芯片，设计相应的电路。本文设计的系统扩展电路如图 2-2 所示，使用了一片数据存储器 6264。图 2-2 80C196KC 系统扩展图 80C196KC 与 6264 之间传输数据时，P4 口输出 6264 存储单元的高位地址，P3 口分时传送低 8 位地址和数据，当地址锁存允许信号 ALE 为高电平时，P3口输出的地址信息有效，ALE 的下降沿将该地址信息打入 74LS373，如果接着是读操作，P3 操作口变为输入方式，
36、读信号RD有效，选通 6264，相应单元内容出现在 P3 口，CPU 读入该内容；如果是写操作，在 ALE 下降为低电平以后，P3 口上出现数据信息，写信号WR有效，CPU 将 P3 口输出的数据写入 相应的RAM 单元。2）相关电路（1）时钟电路 80C196KC 内部有系统时钟振动电路。只须在管脚 XTAL1 和 XTAL2 之间接入晶振和适当的电容即可，晶振的范围为 812MHZ，本系统采用 12MHZ晶振，其电路如图 3-3 所示。80C196KC 具有内部振荡器电路，它是一个单级的非门电路，若与石英晶体配合使用，可组成一个稳定的晶体振荡器。我们在XTAL1 和 XTAL2 之间外接一
37、个 12MHZ 的石英晶体，与内部反向器配合使用，产生 12MHZ 的时钟信号。7404C2C1R 图 2-3 系统时钟电路（2）电源电路 微机系统及数字电路对电源的要求很严格，电源电路设计就是为单片机及其外围芯片提供合适的电流和电压。如图2-4所示，蓄电池的输出电压为+12V左右，送入三端稳压集成块 W7805 的输入端，就可以从三端电路的输出得到稳定的+5V 输出电压。电容 C1和 C2为滤波电容，用来稳定电源电压，C2可以改善瞬态响应。E+5VC2 C1 W7805 图 2-4 电源电路（3）复位电路 为使 80C196KC 通电后能正常工作，必须首先对它进行复位，80C196KC D图
38、 2-5 复位电路 的复位信号是一个低电平有效信号，当电源电压在允许值范围内，并且振荡器工作产生稳定的定时信号后，复位引脚上的低电平至少持续两个状态周期的时间，单片机才能完成复位操作。80C196KC 单片机有上电复位电路和手动复位电路两种方式。系统进入正常工作后，RESET 管脚应保持高电平（2.2V），复位电路低电平的长度不要超过 30ms。根据这一原则设计了简单的复位电路(图2-5)。（4）待标定控制电路 标定信号的处理电路如图 2-6 所示。标定信号是一个 0V 到 4.5V 之间的可调电压信号，该电压信号经过处理后接到单片机 A/D 转换口。调整滑移电阻的位置即可改变标定信号的大小，
39、从而改变控制参数的值。VccR1R3 R2VssR4图 2-6 待标定控制电路 2.2 标定系统软件 2.2 标定系统软件 软件部分是以硬件设计为基础的。在软件设计中，采用结构化设计方法，将程序分成主程序、起动模块、怠速模块、运行控制模块、信号采集模块、标定控制模块以及一个高速输入中断模块。2.2.1 主程序 主程序是控制软件的中心模块，是整个软件的中心环节。它负责完成控制系统通电后的初始化，进行发动机运转工况的测定、判别，并调用相应的处理程序。程序的初始化包括：堆栈指针 SP 的设定、各种特殊功能寄存器 SFR（Special Functional Register）的初始化、高速输入输出口
40、 HSI/HSO 的初始化以及 RAM 区的初始化。在主程序模块中，当霍尔转速传感器触发了高速输入中断时，单片机向P2.0口写入 1，由 P2.0 口控制燃油泵通电，反之向 P2.0 口写入 0，使燃油泵断电。然后，程序根据采集到的发动机信号判断发动机当前的工况，并调用相应的标定控制程序和喷油量计算程序。图 2-14 为主程序流程图。1）起动模块 在该模块中，根据进气温度判断是冷起动还是热起动。当进气温度小于 50摄氏度时，发动机起动为冷起动；当进气温度大于 50 摄氏度时，发动机处于热起动。根据不同的进气温度状态，给发动机以不同的喷油量。2）常用工况处理模块 当节气门开度大于 30%时，控制
41、系统认为发动机进入常用工况状态。在该模块中，调用了喷油量计算的子程序。基本喷油时间以三维图的形式记录在 ECU 中，它是各发动机转速和节气门开度对应的基本喷油持续时间。当发动机的运转条件处于三维图中节点的中间时，用内插法求出喷射持续时间。但这不是最终输出的常用工况喷油量，最终的控制量，还要根据标定控制模块中的量来最后确定。初始化中断发生信号采集模块 YNn400r/min?n3000r/min n7500r/min 断油控制 怠速控制 进气温度 TW50 冷启动模块 热启动模块 N Y N Y YN NN Y节气门开度30%Y点火信号Y N 常用工况处理模块 图 2-14 主程序流程图 2.2
42、.2 标定控制模块 当暂时不考虑进气温度、发动机温度、蓄电池电压修正时，标定状态下，控制量的计算是在基本控制参数的基础上根据标定信号A/D转换的值进行调整的。图 2-15 为燃油供给量标定程序框图。YN返回 T=TB-K（D0-D1）T=TB+K（D1-D0）D1D0 A/D 转换开始 图 2-15 油量标定框图 当进行喷油量标定时，因为要对油量进行增减两方面的调节，所以应将滑移电阻在中间位置时的标定信号 A/D 值 D0 作为参考值。当前滑移变阻器所在位置的 A/D 转换值 D1 大于该值时增加控制参数的值，小于该值时，减小控制参数的值。由于 A/D 转换值的范围为 0000H 到 03D0
43、H，为了保证标定信号量D1 有足够的调节范围，引入系数 K 将 A/D 转换的调节范围扩展到 0000H 到03D0HK。2.2.3 信号采集模块 信号采集模块用于完成对节气门开度、进气温度和蓄电池电压信号的采集。由于节气门开度、进气温度和蓄电池电压均为模拟量，不能被计算机直接接收，需经 A/D 转换器转换为数字信号，A/D 转换程序如图 2-16 所示。图 2-16 A/D 转换框图返回Y结果右移 6 位读 A/D 转换结果A/D 转换结束？N送 A/D 转换命令和通道 开始2.2.4 高速输入中断模块 在高速输入中断模块中，利用 80C196KC 的高速输入口 HSI.0，接收来自霍尔传感
44、器的脉冲信号，以两个信号之间的时间差来计算转速。而对喷油信号的控制，则是利用了单片机的两个高速输出口 HSO.0 和 HSO.1。第四章第四章 发动机控制系统参数优化发动机控制系统参数优化 采用预定最优方式，即开环控制方式对发动机进行控制，在实施控制之前，需要寻求使发动机性能达到最佳水平的控制参数，用由此而得的各种工况下的最佳控制参数，组成相应的控制脉谱。由于脉谱是微机控制系统完成各种控制功能的主要依据，它直接影响控制的效果，只有具备由最佳控制参数值所组成的脉谱，控制系统才能在使用过程中实现对发动机性能的最大程度的改善，否则，即使控制系统硬件和软件设计得如何完善，也不可能达到预期的目的。因此，
45、优化控制参数这项工作是研制控制系统的一个重要内容2028-40。控制参数主要包括点火提前角、喷油量以及喷油延迟角等。它们在发动机工作过程中相互作用，对发动机的性能产生影响，而且，使各项性能指标达到最佳所对应的控制参数值并不完全相同，在某些情况下甚至相互矛盾，为了寻求其最佳值，就必须详细的了解和分析发动机性能与控制参数之间的关系，根据发动机使用环境对其各方面性能的要求，合理选用最优化方法，借助于计算机作为求解手段来完成。这是一个多目标规划问题，可以有多种优化方法和求解策略。本文从研究内燃机优化方法的目的出发，采用了两种不同的优化方法对控制参数进行优化。4.1 发动机控制参数优化模型 4.1 发动
46、机控制参数优化模型 4.1.1 概述 进行控制参数优化，首先需要建立发动机的数学模型，由此模型给出各种性能指标（燃油消耗率、扭矩、HC、CO、NOx浓度）与控制参数的对应关系，在此基础上，进行优化求解，关于建立预测性能的数学模型，大致来说有两种方法：第一种，从分析发动机内部工作过程入手，首先建立物理模型，然后对其简化后进行定量的数学描述，建立数学模型，由此得到的模型为了能达到一定精度，尤其对排气成分进行准确的预测，必须对工作过程中的各个环节进行详尽的描述，包括众多的参数，从而使模型变得比较复杂；第二种，直接通过实验，测取足够数据后，通过统计方法，建立经验模型。由于用于控制参数优化所需的模型，需
47、要用其简明地表达性能与控制参数的关系，而且优化算法所需的数值计算要求模型不能太复杂，否则难于完成优化求解工作，因此，宜于采用经验公式。为此，作者在发动机试验的基础上，采用回归分析方法，建立了 AX100 二冲程发动机的数学模型。通过在各种转速下所进行的发动机稳态试验，测取不同进气量下，不同喷油量所对应的包括排放在内的各种性能指标，建立各转速下的优化模型，然后用单目标和多目标规划方法，优化计算出各种转速下不同节气门开度下的最佳控制参数，最终获取最佳供油量脉谱。这是制取喷油量脉谱的基本方法。在第三章 3.1.2 中，已经介绍了两种不同的试验方法。由于发动机工况变化很大，而且从提高控制效果的目的出发
48、，要求脉谱的工况分布密度越大越好，因此，必须保证脉谱具有一定的分布密度和范围，这就需要进行大量的发动机试验和建模优化计算工作，而且其中对每个工况点的控制参数优化都采用相同的由试验到建模直至优化计算的重复过程。本文采用第二种较为简单的单变量法进行标定和优化。4.1.2 数据处理 4.1.2.1 算法研究 发动机试验的数据，是一组离散的数据，要利用计算机对这些数据进行处理，得到能用一定数学公式表达的试验曲线，必须选择合适的算法。对绘制这种曲线的要求是“使曲线过尽可能的点，而且尽可能靠近那些未能通过的点”，“在平滑过程中，不能掩盖曲线的真实走向”。能较好地满足这一要求的算法是最小二乘法。1）最小二乘
49、法 给定一组数 xi，f(xi)(i=1,2,3,n)，要求在函数类,210n=中 找到一个函数 S*(x)，使误差平方和Q最小。这里，=niiixfxs12)()()()()()(1100 xaxaxaxsmm+=（4-1）(mn)这即为最小二乘法。用最小二乘法拟合曲线方程，首先要确定S*(x)的形式，这主要取决于所给数据xi和f(xi)之间内在的变化规律。对于发动机性能试验曲线，一般选取S*(x)为多项式，设所求的拟合方程为：mmxaxaxaay+=)2210 （4-2）误差平方和为：=niiixfxyQ02)()()（4-3）2010)(iminimixfxaxaa+=根据求函数极值的条
50、件，求取满足Q最小的多项式系数a0，a1，a2，am，即令Q对系数ai的偏导数为0，得到式（4-4），由式（4-4）得到下列方程组（矩阵形式）式（4-5）。式（4-5）简单记为Aa=b，解方程组（4-4），得到系数a0，a1，a2，am，进而确定拟合方程mmxaxaxaay+=)2210。=00010maQaQaQ （4-4）=+=+=+=+=miniiiniiiniiniimniminiminiminiminiminiiniiniiniminiiniiniiniminiiniixxfxxfxxfxfaaaaxxxxxxxxxxxxxxxn121112101213111121413121113